Etapa 2

(01/01/2017 – 31.12.2017)
Proiectarea și realizarea unui sistem inteligent pentru diagnoza automată a liniei de contact din transportul electric feroviar

CUPRINS

Obiectivele proiectului

Obiectivele etapei

Rezumatul etapei

Descrierea științifică și tehnică a etapei

Concluzii

Bibliografie

 OBIECTIVELE  PROIECTULUI

Obiectivul general al proiectului este interconectarea expertizei existente în Universitatea Politehnica Timişoara cu necesităţile Agentului economic (SC Electrificare SA Bucureşti) şi transferul de cunoştinţe.

Obiectivul specific al proiectului este echiparea unei drezine-pantograf cu un sistem de măsură automată a principalilor parametri ai liniei de contact (LC), dezvoltarea și implementarea unui sistem expert pentru diagnoza automată a LC.

OBIECTIVELE  ETAPEI

Obiectivele etapei 2, în număr de 10, sunt grupate corespunzător activităților desfășurate conform Planului de realizare a proiectului:

Activitatea 2.1: Analiza caracteristicilor constructive şi funcţionale ale drezinei pantograf VMT 363C Geismar în vederea determinării soluţiilor optime de amplasare a traductoarelor, fără afectarea funcţionalităţii acesteia;

– analiza caracteristicilor constructive ale drezinei VMT 363C din dotarea Sectorului LC Ilia;

– stabilirea, împreună cu beneficiarul a punctelor de amplasare a traductoarelor;

– stabilirea lucrărilor necesare a fi efectuate de către beneficiar în vederea montării efective a sistemului de măsură și achiziție date;

– întocmirea unui proces verbal care să conțină soluțiile stabilite de comun acord între parteneri.

Activitatea 2.2: Proiectarea sistemului de măsură şi achiziţie a datelor ţinând cont de caracteristicile constructive şi funcţionale ale drezinei pantograf

– stabilirea structurii subsistemului de măsură;

– alegerea tipului de traductoare pentru mărimi geometrice și forța de contact;

– proiectarea subsistemului de determinare a poziției drezinei;

– proiectarea subsistemului de achiziție a datelor (colectarea datelor de la elementele de măsură și pregătirea lor pentru a putea fi transmise unui sistem de calcul);

Activitatea 2.3: Avizarea de către agentul economic a soluţiilor propuse şi eventuala corecţie a lor în funcţie de observaţiile acestuia

– întocmirea şi înaintarea documentației de avizare;

– susținerea documentației și obținerea avizului partenerului;

– efectuarea eventualelor corecții asupra sistemului proiectat, solicitate de partener;

Activitatea 2.4: Obţinerea, de către agentul economic de la Autoritatea Feroviară Română (AFER), a autorizaţiei de montare a echipamentelor pe drezină

– întocmirea şi transmiterea documentației necesară avizului AFER de montare a echipamentelor pe drezină;

Activitatea 2.5: Realizarea practică a sistemului de măsură şi achiziţie a datelor în condiții de laborator;

– montarea echipamentelor pe standul de probă existent în laboratorul propriu;

– verificarea funcționalității fiecărui element component al sistemului, a subsistemelor şi a întregului sistem;

Activitatea 2.6: Testarea în condiţii de laborator a sistemului de măsură şi achiziţie a datelor;

– folosind standul de probă existent în laborator, se efectuează teste şi corecţii privind precizia măsurătorilor zig-zag-ului, a înălțimii firului de contact, a forței de contact și a poziției geografice;

– întocmirea raportului de testare în laborator;

Activitatea 2.7: Montarea pe drezina VMT 363C Geismar a echipamentelor de măsură şi achiziţie a datelor (partea 1);

– supravegherea și îndrumarea lucrărilor de montaj efectuate de către partener, în conformitate cu avizul AFER;

– efectuarea lucrărilor care revin coordonatorului, conform avizului AFER;

Activitatea 2.8: Conceperea structurii sistemului expert şi proiectarea software a acestuia;

– analiza preliminară a datelor furnizate de subsistemul de achiziție;

– corelarea în timp și spațiu a datelor furnizate de subsistemul de achiziție;

– formarea bazei de date;

– stabilirea metodelor de analiză a curbei forței de contact pentru identificarea unor defecte caracteristice (amprente);

– stabilirea valorilor limită și a metodelor de avertizare, pe grade de pericol, a situațiilor de defect;
– utilizând evoluția în timp și spațiu a valorilor parametrilor geometrici și dinamici ai LC, stabilirea unui set de reguli care să permită previziunea evoluției lor în timp;

– proiectarea interfeței utilizator, care să permită vizualizarea sub formă grafică a datelor măsurate, interogări, rapoarte etc.;

– implementarea sistemului expert proiectat pe un sistem de calcul;

Activitatea 2.9: Stagii de practică de cercetare masteranzi și doctoranzi;

– stabilirea responsabililor de practică, din partea coordonatorului și a partenerului;

– întocmirea tematicii practicii masterandului;

– încheierea convenției-cadru de efectuare a stagiului de practică, între coordonator și partener;
– îndrumarea efectivă a practicii;

– testarea cunoștințelor dobândite de masterand;

Activitatea 2.10: Participare la manifestări tehnico-științifice;

– elaborare comunicări ştiinţifice;

– prezentarea a minim o lucrare științifică la o conferință tehnico-științifică sau publicarea în reviste de specialitate.

REZUMATUL  ETAPEI

Etapa 2 (2017) cuprinde următoarele direcții principale de cercetare:

1 – stabilirea punctelor de amplasare a traductoarelor și echipamentelor de calcul ținând cont de condoțiile dificile de lucru;

2 –proiectarea și realizarea practică a sistemului de măsură, achiziție și sincronizare a datelor în vederea prelucrării lor ulterioare de către sistemul expert;

3- proiectarea sistemului expert de analiză a datelor măsurate și evidențierea situațiilor critice.

Diseminarea rezultatelor s-a făcut prin prezentarea a 5 lucrări științifice la 3 conferințe internaționale și afișarea pe site-ul proiectului: .

Pentru Etapa 2 au fost planificate ca rezultate: 1 proces verbal încheiat între parteneri, care să conțină soluțiile de montare pe drezină a sistemului de măsură și achiziție date; 1 proiect tehnic pentru sistemul de măsură și achiziție date; documentație de avizare a proiectului tehnic pentru sistemul de măsură și achiziție date; aviz de la partener de montare pe drezină a sistemului de măsură și achiziție date proiectat;  autorizație AFER (aviz);  1 sistem de laborator de măsură și achiziție date; 1 raport de testare în laborator a sistemului de măsură și achiziție date;  1 sistem industrial de măsură și achiziție date montat pe drezină (parțial);  proiectarea și realizarea unui sistem expert pentru diagnoza LC;  minim o lucrare științifică prezentată la conferințe tehnico-științifice.

S-au realizat: 1 proces verbal încheiat între parteneri, care conține soluțiile de montare pe drezină a sistemului de măsură și achiziție date; 1 proiect tehnic pentru sistemul de măsură și achiziție date; documentație de avizare a proiectului tehnic pentru sistemul de măsură și achiziție date și de montare pe drezină a sistemului de măsură și achiziție date proiectat;  1 sistem de laborator de măsură și achiziție date; 1 raport de testare în laborator a sistemului de măsură și achiziție date;  1 sistem industrial de măsură și achiziție date montat pe drezină (parțial);  1 sistem expert pentru diagnoza LC;  5 lucrări științifice prezentate la conferințe tehnico-științifice.

DESCRIEREA  ȘTIINȚIFICĂ  ȘI  TEHNICĂ  A  ETAPEI

Activitatea 2.1: Analiza caracteristicilor constructive şi funcţionale ale drezinei pantograf VMT 363C Geismar în vederea determinării soluţiilor optime de amplasare a traductoarelor, fără afectarea funcţionalităţii acesteia 

În cadrul acestei activități, în vederea stabilirii soluţiilor optime de amplasare a traductoarelor pe drezina pantograf VMT 363C Geismar, fără afectarea funcţionalităţii acesteia, s-au analizat caracteristicile constructive şi funcţionale ale drezinei.

În figura 1. este prezentată drezina pentru întreţinerea catenarei: VMT 863C existentă în dotarea unor sectoare LC din România. Este cel mai modern echipament de acest gen cumpărat de SNCFR și este proiectat pentru a transporta echipe de muncitori şi pentru a inspecta şi repara catenara liniei de cale ferată electrificată în condiţiile climatice specifice României. Permite operatorilor să ajungă cu uşurinţă şi în siguranţă în toate punctele de pe liniile  aeriene şi pe suporţii şi stâlpii acestora. Locomotiva este echipată cu un pantograf izolat prevăzut cu un separator cuţit 25 kV. Acest pantograf poate fi utilizat: ca un pantograf legat la pământ (catenară scoasă de sub tensiune şi un separator cuţit pornit) sau ca pantograf de inspecţie (catenara sub tensiune şi separatorul cuţit oprit).

Fig. 1. Drezină pentru întreținerea LC(VMT 863C, Cartea tehnică, SNCFR, București, 2008)

Pantograful, amplasat pe acoperişul cabinei, este activat cu ajutorul unui dispozitiv electro-pneumatic, conectat la circuitul de aer comprimat al vehiculului, separatorul cuţit amplasat pe acoperişul cabinei fiind activat cu ajutorul unui levier manual din interiorul cabinei. Forţa de aplicare pe firul de contact poate fi ajustabilă de la 5 la 7 daN.

Sistemul de măsurare OHL existent permite măsurarea decalajului şi a înălţimii liniei de contact. Măsurarea este controlată din poziţia de observaţie în interiorul cabinei. Echipamentul include: dispozitiv de măsurare decalaj (zig-zag); dispozitiv de măsurare a înălţimii; post de observaţie prevăzut cu: o cameră video cu proiector orientabil amplasată pe acoperişul cabinei; un grup de mişcare pentru camera video; un panou de comandă pentru camera video şi grup de mişcare amplasate în interiorul cabinei; un monitor LCD afişaj (19 inch) cu tastatură (centru de comandă); un inscripţioner DVD; un microfon; PC pentru înregistrarea datelor.

Fig. 2. Sistemul de centralizare a datelor (VMT 863C, Cartea tehnică, SNCFR, București, 2008)

Decalajul (zig-zag-ul) nu se înregistrează numeric. El poate fi citit doar vizual în timpul deplasării drezinei sau prin vizionarea filmării înregistrate.

Se constată că drezina VMT 863-C existentă în România nu posedă toate facilităţile necesare măsurării automate a parametrilor geometrici ai liniei de contact şi a forței de contact.

Vehiculul respectă toate standardele aplicabile UIC, ISO, IEC şi DIN şi este proiectat şi produs în sistemul metric (SI). Vehiculul include:

• O cabină cu aer condiţionat (pentru 6 persoane plus mecanicul) cu o poziţie de observaţie catenară şi înregistrare;
• Un generator izolat fonic alimentat cu un motor diesel. Această unitate asigură alimentarea electrică a tuturor sistemelor de circuit electric 230/400V 50Hz ale vehiculului.
• O platformă rotativă şi de ridicare cu o platformă de ridicare auxiliară;
• Un arbore de ridicare telescopic şi basculant;
• Un troliu de macara electric;
• Un banc de lucru cu menghină;
• Cutii şi rafturi pentru uneltele de catenară.

Fig. 3.  Cabina drezinei – interior (VMT 863C, Cartea tehnică, SNCFR, București, 2008)

Fig. 4. Cabina drezinei – vedere de sus (VMT 863C, Cartea tehnică, SNCFR, București, 2008)

Cabina complet închisă, izolată şi vitrată pe toate părţile, este montată pe amortizori de şoc din cauciuc.

Pantograful de inspecţie (izolat), cu catenara sub tensiune şi separatorul cuţit oprit (deschis) este utilizat în principal pentru măsurarea şi inspecţia (vizuală/de înregistrare) a liniilor aeriene cu cameră video (sistem de măsurare OHL), cu viteză de mers (cu posibilitatea de a bloca suspensia frontală pentru o precizie mai bună). Prezintă următoarele caracteristici:

Pantograf:

 – Tip        WBL85

– Înălţimea arcului glisant de deasupra nivelului şinei în poziţie coborâtă               4210 mm

– Înălţimea arcului deasupra nivelului şinei în poziţie ridicată                                    6720 mm

– Cursă verticală a arcului glisant                                                                                         2460 mm

– Izolaţie                                                                                                                                     25 kV

Izolator:

– Tip        50-25-0302

– Izolaţie                                                                                                                                    25 KV

Separator cuţit     :

– Tip     SR3

– Izolaţie                                                                                                                                   30KV

– Curent electric maxim                                                                                                        630A

Pe baza analizei caracteristicilor constructive și funcționale ale drezinei s-au stabilit, împreună cu beneficiarul, punctele de amplasare ale traductoarelor. Acestea sunt prezentate în figura 5. Aparatura aferentă sistemului de achiziție și prelucrare primară a datelor va fi montată pe un suport existent în interiorul drezinei, conform figurii 6.

Fig.5. Schiță privind amplasarea traductoarelor sistemului de măsură și achiziție date pe acoperișul cabinei drezinei VMT 863C

Fig.6. Schiță privind amplasarea aparaturii aferente sistemului de achiziție și prelucrare primară a datelor în cabina drezinei VMT 863C

Lucrările necesare a fi efectuate de către beneficiar în vederea montării efective a sistemului de măsură și achiziție date cuprind lucrări de cablare, folosindu-se canalele de cabluri existente pe drezină și lucrări de fixare a traductoarelor, astfel încît să nu fie afectată structura și funcționalitatea drezinei.

Soluțiile stabilite de comun acord între parteneri au făcut obiectul unui proces verbal încheiat între Directorul de proiect și Responsabilul de proiect din partea Centrului de Electrificare Deva (care are în subordine Sectorul LC Ilia), cu avizul Sucursalei Timișoara a S.C. Electrificare C.F.R. S.A.

Activitatea 2.2: Proiectarea sistemului de măsură şi achiziţie a datelor ţinând cont de caracteristicile constructive şi funcţionale ale drezinei pantograf

Structura sistemului de măsură și achiziție

Sistemul de măsurare este alcătuit dintr-un calculator portabil, o placă de achiziții de date, un senzor de distanță cu laser pentru măsurarea deplasării verticale, o cameră video USB pentru măsurarea deplasării orizontale, un modul GPS pentru preluarea coordonatelor geografice și un senzor de temperatură-umiditate. Schema logică a sistemului este prezentată în figura 7.

Fig. 7. Schema logică a sistemului de măsură și achiziție a datelor

Placa de achiziție de date (fig.8)

Este de tip National Instruments MyRIO-1900 ale cărei caracteristici sunt:

8 canale analogice de intrare cu referință la masă 0-5V (500kS/s) 2 canale analogice de intrare diferențiale ±10V (500kS/s) 2 canale analogice de ieșire cu referință la masă 0-5V (345kS/s) 2 canale analogice de ieșire diferențiale ±10V (345kS/s) 40 canale digitale reconfigurabile intrare/ieșire compatibile TTL posibilitate achiziție pe magistrale USB, UART, SPI, I2C procesor cu tehnologie FPGA, Real Time.

Fig. 8. Placa de achiziție de date MyRIO-1900

Traductoare pentru măsurarea parametrilor geometrici ai LC și forța de contact

Camera video (fig.9)

Rolul camerei video este de a determina zig-zagul liniei de contact prin măsurarea optică a distanței dintre firul de contact și un reper de referință. Măsurătorile se fac prin prelucrarea imaginilor provenite de la camera video. Intervalul dintre două măsurători este determinat de rata de achiziție a imaginilor de către camera video iar precizia este determinată de rezoluția camerei și de distanța dintre cameră și punctul de contact între linia de contact și pantograf.

Camera video utilizată este o cameră de supraveghere IP-ZUM2A-4.0 cu LED-uri array. Conectarea la sistem se face cu ajutorului conectorului RJ45. Caracteristici tehnice:

rezoluție: 4MP (2592×1520 la 15 fps), 3MP (2048×1536 la 25 fps) lentile de 2.8-12 mm senzor de imagine 1/3“ OV4689 low illumination CMOS+Hi3516D Embedded RTOS distanța maximă 40 m grad de protecție la umezeală IP66 condiții de funcționare -20 0C ~ +50 0C, Rhmax = 95% max alimentare cu energie electrică 12V DC ±10%, 1500 mA dimensiuni 290 (lățime) x 93 (înălțime) x 80 (adâncime) mm

Fig. 9. Camera video IP-ZUM2A-4.0.

În vederea măsurării deplasării verticale a ansamblului pantograf-catenară se utilizează un senzor de distanță Wenglor OY1P303P0102 cu emisie LASER (fig.10). Principiul de funcționare se bazează pe măsurarea timpului necesar reflexiei razei LASER de la obiectul până la care se calculează distanța. Schema de conectare a senzorului la placa de achiziție de date este prezentată în figura 11.